华能（天津）煤气化发电有限公司 300452
摘要：空气分离装置的原理是利用液化空气中各组份沸点的不同从而达到分离空气的目的，最终得到氧、氮、氩等各种组份。空分装置主换热器是板翅式热交换设备，由波纹翅片、隔板、密封条、导流片组成。本文基于某空分装置主换热器冰堵故障分析及处理展开论述。
关键词：空分装置；主换热器；冰堵故障分析及处理
引言
某空分装置冷态开车后发现氧气出口流量较停车前减少约10%，装置各参数亦有明显变化。由此判断主换热器发生冰堵故障，遂停机处理并进行排查。
1、工艺流程
某空分装置工艺为深度冷冻法生产氧气、氮气和氩气。主要由以下几部分组成：（1）空气压缩，预冷及净化；（2）空气增压及制取冷量；（3）空气精馏分离；（4）氩气精馏和提取；（5）液体产品储存及备用系统。空气首先经进入前置过滤器除尘紧接着进入空压机加压、然后由预冷系统及纯化系统进行预冷和净化处理，净化后的气体一路直接进入主精馏塔，一路进入增压机压缩后去膨胀机进行膨胀制冷、膨胀后的空气进入主精馏塔。空气在主精馏塔和氩塔内进行精馏，最后得到氧氮氩产品并送入用户管网和储罐。
2、故障现象
某年4月，28000m3/h空分装置由于后工段检修停车，待检修完成冷态开车后发现氧气出口流量较停车前减少约2500m3/h，为了满足满负荷生产的需要，被迫将液氧泵变频由85Hz提高至90Hz，回流阀开度由36．5%关至25．7%。虽然氧压达到5．1MPa满足氧气压力，但是泵后压力与氧气压差由0.1MPa增高至0．8MPa，氧量较之前减小了2500m3/h；同时，高压空气由5．2MPa增高至6．2MPa，膨胀机前温度由－115℃增高至－110℃，氮气、污氮气出换热器温度正常。相关运行参数见表1。
表1相关运行参数
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3、故障处理措施
鉴于以上情况公司决定加热该空分装置，停止液氧泵，停止膨胀机，停止高压板式换热器的运行。进塔空气经低压板式换热器空气通道进入，出塔空气经低压板式换热器污氮气通道排出，控制好污氮气出口温度。塔内液体排放结束后，打开冷箱周围所有吹除阀，加速塔内冷量外排，同时高压板式换热器高压空气通道、氮气通道、氧气通道开始吹除，控制好氮气出口温度。由于氧通道正常生产时为液体，管道直径小，加之上塔压力低，吹除流量较小，因此必须开启液氧泵后仪表空气吹除阀，加速通道的复热速度。装置在加温吹除期间合理调整好空气的分配，使塔内温度均匀升温至0℃以上，然后对氧气通道及冷箱周围各吹除阀排气进行露点分析，露点温度为－60℃以下即表明吹除加温合格。
4、故障原因分析及排查
4.1原因分析
从上述案例来看，增加膨胀量未能缓解空分装置冷损增大，也未出现主冷泄露的现象，经过检查空分装置没有大量跑冷情况。初步分析由于主换热器换热效果变差，从而导致空分装置被迫停车。当然，造成这种现象的可能原因有很多，比如分子筛将水带入板式热交换设备、膨胀机的入口过滤器基体堵塞、膨胀机增压端冷却器泄漏等，这些都可能是导致该现象出现的原因。
4.2故障的排查过程
4.2.1分子筛将水带入主换热器
首先让热工人员校正了出分子筛后空气中CO2含量分析仪，分析仪没有问题。查看历史记录，出分子筛后空气中CO2含量一直在1ppm以下，说明出分子筛空气含水量符合标准要求，不存在分子筛将水带入主换热器。
4.2.2膨胀机的入口过滤器基体堵塞
打开膨胀机入口处的过滤器基体，发现整个过滤器基体处没有混合物和污染物，可以判定膨胀机的入口过滤器基体没有堵塞。
4.2.3膨胀机增压端冷却器泄漏
对1#膨胀机增压端冷却器进行密封性能测试：拆开1#膨胀机增压端冷却器一组水管，使冷却器水侧充满水，仔细检查铜管是否存在泄漏现象。经过密封实验，发现冷却器铜管泄漏，水进入了气侧。
由此可以明确判断：空分装置主换热器发生冰堵故障的原因是膨胀机增压端冷却器泄漏。
5、空分装置主要设备安全使用探讨
5.1 分子筛纯化器
（1）分子筛带水事故：分子筛纯化器内部吸附剂（由下至上依次布置）由惰性氧化铝、活性氧化铝及分子筛组成，来自空冷塔的空气中含有的水分为饱和水分，一旦空气中夹带游离水分，将造成氧化铝及分子筛失效甚至失去再生能力，导致分子筛纯化器无法正常工作，进而影响分子筛清除CO2的效果，一旦进入分离装置的空气中CO2及水分含量超标，则空气中的这些有害物质在低温环境下在换热器通道及精馏塔内积聚，造成空分装置无法正常运行，甚至出现低温设备报废的事故发生，故需要坚决避免分子筛带水事故的发生。另外，分子筛再生气加热器加热介质为蒸汽，一旦换热器列管泄漏，也将造成分子筛纯化器失效。
（2）分子筛冲床事故：分子筛纯化器内部吸附剂由下至上分为三层，不同床层之间由丝网隔离，如果空气经过分子筛纯化器时速度过快，则容易冲击床层，从而导致床层分布呈现凹凸不平的状态，影响空气净化效果，所以务必避免分子筛纯化器内部吸附剂床层受到冲击。
5.2 低温换热器
空气分离装置内部的低温换热器为板翅式结构，各物料流通区域狭窄，一旦空气中CO2或水分超标将造成板式换热器冻结，从而引起换热器损坏，造成重大设备事故。
5.3 精馏塔
空分装置精馏塔工作温度很低，在-173℃至-196℃之间，一旦空气中CO2、微量水分进入精馏塔，将造成塔内积聚有害物质，造成重大设备事故。另外冷箱外空气中的机械杂物进入低温换热器及精馏塔也将造成其工作效率下降，甚至引起事故发生。
5.4 主冷
主冷液氧内积聚碳氢化合物过多会造成爆炸事故发生。因此必须确保分子筛纯化器正常工作及保持主冷液氧液位处于全浸状态，加强主冷液氧内碳氢化合物有效监控，增加液氧循环量。
5.5 液氧及氧气管线
氧是强烈的助燃物质，一旦存在可燃物，并在可燃物达到着火点的条件下将发生燃爆事故。故必须确保设备本身及加工空气中无油脂成分。另外，避免液氧及氧气的流速过快，造成因流速过快产生静电。
5.6 膨胀机设备
由于空气中CO2及水分含量超标，将造成空气中这些有害物质在膨胀机内部流通部分冻结，导致膨胀机烧瓦事故。
5.7 低温液体泵设备
（1）密封损坏事故。（2）电机轴承损坏事故。（3）因气蚀所造成的各部件损坏事故。
结束语
通过此次对空分装置主换热器冰堵故障的处理，得到以下经验教训：（1）必须对膨胀机增压端后冷却器的操作引起高度重视，尤其在空分装置停车期间，必须切掉冷却水，防止冷却器出现内漏带水情况。（2）在膨胀机增压空气管路上安装露点分析仪，空分装置开机后要密切关注增压空气管路的露点的变化，发现异常立即采取措施。（3）冷却器制造厂家要在设计、制造方面进行改进，以保证设备长期可靠运行。同时在冷却器气侧安装排水阀，在每次开车前打开查看是否有水排出。对冷却器酸洗一定要慎之又慎。（4）空分装置一次扒砂的成本很高，除非冷箱内出现漏液，原则上应尽量避免扒砂，减少由于扒砂带来的设备风险和安全风险。
总之，空分装置的启动是一个错综复杂的过程，各个环节都要考虑周全，各个环节又是承上启下，密切联系的，不能有任何的疏忽。否则，任何遗漏或错误的操作细节都可能直接导致设备出现故障甚至会发生意外事故。
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